CC BY
64
^ ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.433.2
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КОНСТРУКЦИЯХ НИЗКОПОЛЬНЫХ ТРАМВАЙНЫХ ВАГОНОВ
А. А. Воробьев, А. М. Будюкин, В. Г. Кондратенко
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Воробьев А. А., Будюкин А. М., Кондратенко В. Г. Анализ современных технических решений, применяемых в конструкциях низкопольных трамвайных вагонов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 1. - С. 7-15. Б01: 10.20295/1815-588Х-2021-1-7-15
Аннотация
Цель: Показать перспективность применения общественного городского транспорта и в первую очередь легкорельсового подвижного состава большой вместимости для городских перевозок, а в ближайшей перспективе и возможность полного отказа от передвижения по городу на индивидуальном автомобиле. В результате это позволит разгрузить российские мегаполисы от автомобильных пробок. Методы: Проводились анализ и обобщение опыта работы ведущих трамвайных предприятий Европы (в Вене, Праге, Риге и др.), анализ наиболее прогрессивных конструкций эксплуатируемого подвижного состава и их ходовых частей, сравнение зарубежного и отечественного опыта работы эксплуатационных хозяйств. Результаты: Опыт работы многих европейских предприятий доказал целесообразность использования вагонов с поворотными ходовыми тележками, которые благоприятно воздействуют на путь и дают возможность проходить кривые малых радиусов. Применение вагонов из многозвенных конструкций позволило создать полностью низкий пол в салоне. Целесообразно в ходовой части низкопольного вагона располагать редуктор и электропривод с наружной стороны или применять безредукторный привод с помощью низкооборотных электродвигателей. Практическая значимость: Внедрение низкопольных вагонов в городах повышает доступность этого вида транспорта для пассажиров, в первую очередь для пассажиров с ограниченными возможностями, существенно сокращая время их посадки (высадки). Показано преимущество вагонов с поворотными тележками. Усложнение конструкции ходовой части дает возможность конструкторам создавать предельно низкий пол в салоне, но это в результате ведет к увеличению стоимости подвижного состава, росту расходов на ремонт, повышает требования к содержанию инфраструктуры и требует высококвалифицированного технического персонала. Рекомендовано приобретать низкопольный подвижной состав отечественных производителей, как наиболее приспособленный к условиям работы в российских городах.
Ключевые слова: Низкопольный вагон, многозвенный (сочлененный) вагон, ходовые части вагона, портальная ходовая часть, независимые колеса, безредукторный привод.
В России 3 сентября отмечается день российского трамвая. В этом году исполняется 140 лет, как в петербургских газетах было напечатано следующее сообщение: «1880 года 22 августа в 12 часов дня в С.-Петербурге, на Песках, на углу Болотной улицы и Дегтярного переулка, г. Пироцким первый раз в России двинут вагон электрической силою, идущей по рельсам, по которым катятся колеса вагона... Опыты продолжаются до 4 сентября».
Таким образом, обычный темно-синий вагон конки с империалом № 114 стал первым электрическим трамваем. Внешне он не отличался от других, но снизу под кузовом был установлен электродвигатель и смонтирована зубчатая передача, которая приводила вагон в движение. Контроллерное управление позволяло регулировать скорость вагона и направление его движения. Электроэнергия подавалась по тем же рельсам, по которым катились колеса вагона, от небольшого генератора, установленного в Рождественском коночном парке. Регулярная работа электрического трамвая в Санкт-Петербурге началась только с 29 сентября 1907 г. [1-5].
Конструкция трамвайных вагонов на протяжении всего этого времени претерпела существенные изменения, от одиночных двухосных до многозвенных поездов с низким уровнем пола. В настоящее время к трамвайным вагонам предъявляются различные требования, к наиболее важным следует отнести: бесшумный ход, высокие динамические свойства, возможность вписываться в кривые малых радиусов, наличие достаточного количества дверей, низкий пол в салоне и др. Обязательным требованием является применение в конструкции вагона либо полностью, или частично низкого пола. Новые вагоны с высоким уровнем пола сейчас повсеместно не производятся, хотя еще эксплуатируются в ряде стран Европы, США и России [6]. Нередко высокопольные вагоны подвергаются модернизации: в них добавляют низкопольные вставки, либо делают низкопольными средние или задние площадки.
Качественный рывок в данном отношении автобусный транспорт сделал после разработ-
ки портальных мостов. Для трамваев такая конструкция не годилась, поскольку их ходовая часть принципиально отличается от автобусной. Каждая тележка классического четырехосного вагона является одновременно моторной и поворотной, и разделить их функции, как было сделано с автобусными мостами, на 15-метровом трамвае технически невозможно. В низкополь-ном вагоне были неизбежны высокие подиумы над тележками, которые занимали большую часть внутривагонного пространства, на которых располагали сиденья. По этим причинам в салоне получался очень узкий проход для пассажиров, и лишь примерно треть пола в центральной части салона могла иметь низкий уровень. Применение многозвенных вагонов и различных технических решений в конструкциях ходовой части позволяет сделать пол трамвайного вагона ровным и избавиться от подиумов и, таким образом, создать широкие проходы в вагоне.
Возможность создания низкопольного подвижного состава в первую очередь связана с конструкцией его ходовой части. Рассмотрим наиболее современные технические решения, примененные конструкторами при создании ходовых частей рельсового подвижного состава.
Вагон ULF (Ultra Low Floor) - сочлененный многосекционный низкопольный трамвай производства компании Siemens AG. Это один из первых трамваев с низким уровнем пола по всей длине, разработка которого была начата еще в начале 1990-х годов (рис. 1). Отдельные части и элементы вагона (преобразователь ETRIS S1000 и микропроцессорная система управления преобразователями ELTAS) поставлялись компанией Elin EBG Traction GmbH, которая является c 2006 г. дочерней компанией Siemens AG. Дизайн вагона разработан компанией Porsche Design Group. Существуют две модификации: ULF 197-4 и ULF 197-6.
Первый рабочий прототип был выпущен в 1995 г., а серийное производство началось только в 1997 г. Это самый низкопольный трамвай в мире (высота пола составляет всего 200-210 мм над головкой рельса), что делает вход в вагон для пассажиров, особенно в инвалидных колясках,
Рис. 1. Общий вид многозвенного низкопольного вагона ULF
простым, так как он находится практически на уровне тротуара. Кроме того, пол выполнен на всем протяжении салона ровный, облегчая компоновку салона, в отличие от большинства других низкопольных трамваев, в салоне которых имеются выступающие кожухи тележек.
Главная особенность данного трамвая - применение одноосных тележек портального типа с независимо вращающимися колесами, расположенными между секциями трамвая. Каждое колесо этого трамвая имеет индивидуальную подвеску, тяговый двигатель и редуктор. По паре колес размещается в передней и задней секциях, остальные - в узлах сочленения. Двигатель располагается вертикально над колесом с наружной стороны тележки, приводя его в движение через конический редуктор. Все электрооборудование расположено на крыше. Так как колеса в трамвае установлены по одному, а не парами, как в тележечных, поворот передних и задних осей при проезде кривых осуществляется с помощью специальной электронной системы (рис. 2).
Эти вагоны в основном поставлялись в Вену (Австрия). Кроме «детских болезней», характерных для первых серий таких трамваев и устраненных в дальнейшем, в них так и остались шумные двигатели и скрипучие узлы сочленения. Данные вагоны очень сложны в техническом обслуживании, из-за чего до четверти всего парка регулярно простаивало в ожидании ремонта. К тому же они оказались довольно дорогими
и трудоемкими и в эксплуатации, поэтому широкого распространения не получили. В настоящее время в Вене решили все же переходить на вагоны более традиционной конструкции.
Другой более рациональный подход к решению рассматриваемой проблемы нашли чешские конструкторы при разработке вагонов серии Skoda 15T. Вагоны серии Skoda 15T (также Skoda ForCity Alfa) - семейство чешских полностью низкопольных пассажирских сочлененных трамваев с транзисторно-импульсной системой управления. Они производятся с 2008 г. на заводе Skoda Transportation в г. Пльзень [7, 8].
Вагон состоит из трех или четырех секций (рис. 3). В узлах сочленения установлены низ-копольные тележки Jacobs. Крайние тележки -полноповоротные, размещены максимально близко к оконечностям кузова, что позволило сделать трамвай низкопольным на 100 %: пространство над передней тележкой занимает кабина водителя, а над задней - задний ряд сидений. Разные модификации этих вагонов работают в Праге и Риге.
Трамвай может изготавливаться как для одностороннего, так и для челночного движения. Вагон имеет привод от 60 % колес до всех колес для сетей в холмистых городах. Поскольку у тележек Jacobs шарнирное сочленение и они не влияют на внутреннее пространство секций кузова, существует неограниченный выбор внутренней планировки и расположения дверей.
Рис. 2. Ходовая часть и тяговый двигатель вагона ULF
Рис. 3. Габаритные размеры и планировка Skoda 15T ForCity
Базовая длина вагона может быть изменена. Также возможно соединить два или более транспортных средства. Технические характеристики вагона приведены в таблице.
Неповоротные тележки, которые внедрены в большинстве трамваев со 100 %-ным низким полом, увеличивают износ колеи и уменьшают скорость, с которой трамвай может проехать поворот (обычно 4-15 км/ч) на кривой радиуса 20 м. В вагоне Skoda 15T эти недостатки устранены,
на нем применены только поворотные тележки, как по концам вагона (рис. 4), так и под сочленениями (системы Jacobs).
Высота большей части пола трамвая составляет 350 мм над рельсами, но по концам вагона она равна 450 мм. Переход в уровне пола выполнен наклонным, без внутренних ступеней. Ширина прохода в салоне над центральными тележками - 700 мм. Некоторое время вагон Skoda 15T, в производстве, был единственным
Технические характеристики вагона Skoda 15T ForCity
Наименование параметра Для Праги Для Риги
Годы постройки с 2009 г. с 2010 г.
Масса, т 42 -
Полная вместимость (8 чел./м2)/мест для сидения:
- трехзвенный 300/61 318/60
- четырехзвенный - 418/79
Электрические двигатели: количество х мощность, кВт 16х45 (3-звенный) 12x46,6 (3-звенный), 16 x 46 (4-звенный)
Максимальная скорость, км/ч 60 70
Колея, мм 1435 1524
Длина вагона, мм:
3-звенный 31 400 31600
4-звенный - 41 200
Высота пола над головкой рельса, мм 350/450
Высота вагона, мм 3600
Ширина вагона, мм 2460 2500
Осевая нагрузка, т 5,2
Диаметр колеса по кругу катания, новый, мм 660
Рис. 4. Вид тележки - слева и справа колес (тяговые индивидуальные электродвигатели)
полностью низкопольным трамваем, с полностью поворачивающимися тележками.
Все тележки могут приводиться в движение, но некоторые могут быть и немоторными, в зависимости от требования заказчика. Тележки имеют четыре колеса, привод колес раздельный, без редуктора и двухступенчатую подвеску. Установлены колеса с резиновыми пружинами, со встроенными тормозными дисками и осевыми подшипниками. На подшипниках оси смонтирован комбинированный, динамически устойчивый, основной каркас тележки с металлическими пружинами на резиновой связке. С внешней стороны колес крепятся к каркасу тележки четыре тяговых двигателя (в крайних тележках) и один или два (во внутренних тележках), подпружиненных поворотным валиком (рис. 5). Электродвигатели приводят в движение колеса трамвая напрямую через механически отключаемую кулачковую муфту. Индивидуальный привод колес значительно уменьшает износ рельсов и уровень шума в кривых участках пути благодаря различной скорости вращения колес.
Вторичная пружина качающихся валиков обеспечивается стальными спиральными пружинами с параллельными гидравлическими вращающимися демпферами. Поворотные валики имеют шарнирные подшипники, которые обеспечивают полное вращение тележки под кузовом без каких-либо ограничений.
Рис. 5. Асинхронный тяговый двигатель с водяным охлаждением индивидуального привода колеса
Конструкция привода достаточно простая, но в ней электродвигатель создает достаточно большую неподрессоренную массу, которая плохо действует как на него, так и может вызывать разрушение пути. Здесь применены асинхронные тяговые двигатели с низкой частотой вращения в номинальном режиме [9].
Фрикционный дисковый тормоз управляется гидравлически с помощью электрического компрессорного устройства. Каждая тележка также оборудована парой магниторельсовых тормозов напряжением 24 В постоянного тока. Фрикционный дисковый тормоз также обеспечивает функцию стояночного тормоза Skoda 15Т. Конструкция тележки выполнена так, что точка закрепления крайних тележек к корпусу (шкворень) не совпадает с их геометрическим центром, а смещена на 250 мм в продольном направлении. Такую тележку невозможно кантовать. Износ реборды у первой пары колес все равно будет больше, чем у второй.
Вагон Skoda 15T имеет высокую стоимость и довольно сложен в техническом обслуживании и ремонте. Поэтому эта модель, которая выпускается до сих пор, пока не нашла широкого распространения.
Таким образом, можно сделать вывод, что низкопольные вагоны удобны, поскольку отсутствие ступенек на входе в салон позволяет уменьшить время посадки и высадки пассажиров (и соответственно выпуск на линию), а также не создает проблем для пожилых людей. Обе рассмотренные конструкции ходовой части современных вагонов с независимыми колесами, как одноосная портального типа, так и с индивидуальным безредукторным приводом, весьма сложные, требуют квалифицированного обслуживания и отличного состояния путевого хозяйства [10]. Несмотря на высокий технический уровень данных вагонов, они не пригодны для эксплуатации в условиях трамвайных предприятий России. В нашей стране также разработаны и изготавливаются как низкопольные, так и с переменным уровнем пола вагоны различной конфигурации [10, 11], конструкция которых уже адаптирована к российским условиям,
поэтому при выборе подвижного состава следует отдавать предпочтение продукции отечественных производителей: ПК «Транспортные системы», Усть-Катавский вагоностроительный завод и «Уралтрансмаш».
Библиографический список
1. Киселев И. П. История скоростных сухопутных нетрадиционных видов пассажирского транспорта / И. П. Киселев // История науки и техники. -2006. - № 8. - С. 2-12.
2. Киселев И. П. Развитие классификаций транспортных систем в СССР и России. Специфика колейного (направляемого) транспорта / И. П. Киселев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2010. - Вып. 4 (25). -С. 168-178.
3. Фортунатов В. В. История мировых цивилизаций / В. В. Фортунатов. - СПб. : Питер, 2012. -560 с.
4. Голубев А. А. История транспорта : учеб. пособие / А. А. Голубев, И. П. Киселев, В. И. Голубев, В. В. Фортунатов, В. В. Яробков ; под ред. В. В. Фортунатова. - СПб. : ПГУПС, 2013. - 134 с.
5. Годес Я. Г. Этот новый старый трамвай / Я. Г. Го-дес. - Л. : Лениздат, 1982. - 166 с.
6. Современные трамвай : сочлененные, низко-польные, вместительные // Грузовик-Пресс. - 2013. -№ 9. - С. 64-66.
7. АО «Шкода Транспортейшн». Буклет «Трамваи Skoda». - 2020. - 21 с.
8. Городской транспорт. - URL : trasnfoto.ru (дата обращения : 24.05.2020 г.).
9. Никитин В. В. Безредукторный тяговый электропривод городского рельсового транспорта / В. В. Никитин, А. Я. Пармас, В. М. Пивоваров, Р. Р. Сатаров // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2013. - Вып. 1. - С. 31-38.
10. Быльцева В. Д. Совершенствование конструкции подвижного состава легкорельсового транспорта в Санкт-Петербурге / В. Д. Быльцева, А. М. Будюкин, Е. В. Пакулина // Прогрессивные технологии, применяемые при ремонте железнодорожного подвижного состава : сб. трудов нац. науч.-технич. конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - СПб. : ПГУПС, 2020. - С. 44-50.
11. Кондратенко В. Г. Эволюция конструкции подвижного состава легкорельсового транспорта в Санкт-Петербурге / В. Г. Кондратенко, А. А. Воробьев, А. М. Будюкин, Д. Д. угли Каримов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 62-67.
Дата поступления: 10.09.2020 Решение о публикации: 13.01.2021
Контактная информация:
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич - д-р техн. наук, доц.; 79219751198@yandex.ru БУДЮКИН Алексей Митрофанович - канд. техн. наук, доц.; ktexmet@yandex.ru КОНДРАТЕНКО Владимир Григорьевич - канд. техн. наук, доц.; ktexmet@yandex.ru
Analysis of current technical solutions applied in the design of low-floor tram cars
А. А. Vorobyev, A. M. Budyukin, V. G. Kondratenko
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Vorobyev A.A., Budyukin A. M., Kondratenko V. G. Analysis of current technical solutions applied in the design of low-floor tram cars. Proceedings of Petersburg Transport University, 2021, vol. 18, iss. 1, pp. 7-15. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-1-7-15
Summary
Objective: To show the prospects of using public urban transport and, first of all, high-capacity light rail rolling stock for urban transportation, and in the immediate future, the possibility of completely abandoning private vehicles for movement around the city. As a result, this will help lessen the traffic jam load in Russian megacities. Methods: The authors have analyzed and applied best practice of the leading tram companies in Europe (Vienna, Prague, Riga, etc.), analyzed the most progressive designs of the rolling stock and their undercarriage, and compared foreign and domestic experience of service facilities operation. Results: The experience of many European companies has proved the feasibility of using cars with swivel bogies, which have a beneficial effect on the track and make it possible to pass curves of small radii. The use of wagons made of multi-link structures allowed designing a completely low-floor cabin. It is advisable to place a gearbox and an electric drive on the outside of the low-floor car undercarriage, or to use a gearless drive and low-speed electric motors. Practical importance: The introduction of low-floor cars in cities improves the accessibility of this type of transport for passengers, primarily for passengers with disabilities, and significantly reduces the time of their boarding (disembarking). The advantage of cars with swivel bogies is shown. The increased complexity of the undercarriage design allows designers to create an extremely low floor cabin, but this consequently leads to an increase in the cost of rolling stock, an increase in repair costs, stricter requirements for the support services and a demand for highly qualified technical personnel. It is recommended to purchase domestic low-floor rolling stock as the most adapted to operation in Russian cities.
Keywords: Low-floor car, multi-link (articulated) car, undercarriage, portal undercarriage, independent wheels, gearless drive.
References
1. Kiselyov I. P. Istoriya skorostnykh sukhoputnykh netraditsionnykh vidov passazhirskogo transporta [History of high-speed land non-traditional types of passenger transport]. Istoriya nauki i tekhniki [History of Science and Technology], 2006, no. 8, pp. 2-12. (In Russian)
2. Kiselyov I. P. Razvitiye klassifikatsiy transportnykh sistem v SSSR i Rossii. Spetsifika koleynogo (naprav-lyayemogo) transporta [Development of transport system classifications in the USSR and Russia. Specificity of track (guided) transport]. IzvestiiaPetersburgskogo uni-versitetaputei soobshcheniia [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2010, iss. 4 (25), pp. 168-178. (In Russian)
3. Fortunatov V. V. Istoriya mirovykh tsivilizatsiy [History of world civilizations]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2012, 560 p. (In Russian)
4. Golubev A.A., Kiselyov I. P., Golubev V. I., Fortunatov V. V. & Yarobkov V. V. Istoriya transporta. Ucheb. posobiye [History of transport. Training manual]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2013, 134 p. (In Russian)
5. Godes Ya. G. Etot novyy staryy tramvay [This new old tram]. Leningrad, Lenizdat Publ., 1982, 166 p. (In Russian)
6. Sovremennyye tramvay: sochlenennyye, nizkopol'-nyye, vmestitel'nyye [Modern trams: articulated, low-floor, spacious]. Gruzovik-Press, 2013, no. 9, pp. 64-66. (In Russian)
7. AO "Shkoda Transporteishen". Buklet "Tramvai Skoda" [Skoda Transportation a. s. Skoda Trams booklet], 2020, 21 p. (In Russian)
8. Gorodskoy transport [Urban transport]. Available at: trasnfoto.ru (accessed: May 24, 2020). (In Russian)
9. Nikitin V. V., Parmas A. Ya., Pivovarov V. M. & Sattarov R. R. Bezreduktornyy tyagovyy elektroprivod gorodskogo rel'sovogo transporta [Gearless electric traction drive for urban rail transport]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2013, iss. 1, pp. 31-38. (In Russian)
10. Byl'tseva V. D., Budyukin A. M. & Pakulina E. V. Sovershenstvovaniye konstruktsii podvizhnogo sostava legkorel'sovogo transporta v Sankt-Peterburge [Improving the design of light rail rolling stock in Saint Petersburg]. Progressivnyye tekhnologii, primenyayemyye pri
remonte zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Sb. trudov natsional'noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, magistrantov, aspirantov i molodykh uche-nykh [Advanced technologies used in the repair of railway rolling stock. Proceedings of the National Scientific and Technical Conference of Students, Undergraduates, Graduate Students, and Young Scientists]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2020, pp. 44-50. (In Russian)
11. Kondratenko V. G., Vorobyev A.A., Budyu-kin A. M. & Karimov ugli D. D. Evolyutsiya konstruk-tsii podvizhnogo sostava legkorel'sovogo transporta v Sankt-Peterburge [Evolution of the design of light rail rolling stock in Saint Petersburg]. Proceedings of Peters-
burg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 62-67. (In Russian)
Received: September 10, 2020 Accepted: January 13, 2021
Author's information:
Aleksandr A. VOROBYEV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; 79219751198@yandex.ru Aleksey M. BUDYUKIN - PhD in Engineering, Associate Professor; ktexmet@yandex.ru Vladimir G. KONDRATENKO - PhD in Engineering, Associate Professor; ktexmet@yandex.ru
